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Corriente de Arranque en Motores Elctricos de Induccin

Motores

El motor elctrico tiene dos comportamientos principales, estos son: en el Arranque(o Transitorio) y en el Estado Estable (o Permanente) una vez que arranc.

Claramente las caractersticas son diferentes.

En el primer caso, se debe tener claro que la energa totaldel sistema (Motor+Mquina) no puede variar brusca-mente, ni es posible pasar de una forma de energa a otrade manera instantnea. Es as como se define unTransitorio Elctrico en un convertidor electromecnicocuando la energa vara rpida y temporalmente, y es sloalmacenada en sus campos magnticos y elctricos, con-servndose constante la energa cintica (reflejada en lavelocidad).

Por otro lado, si la variacin de energa incluye tambin unamodificacin temporal o permanente de la energa cintica,se definir entonces el fenmeno como de tipo electrodi-nmico, o ms brevemente como un Transitorio Dinmico.Nos ocuparemos principalmente de las corrientes de arran-que en el transitorio dinmico del motor elctrico.

El arranque del motorEl proceso de poner en marcha el motor se conoce comoel Arranque. Para que esto sea posible, es necesario queel par (Torque) de arranque sea superior al par resisten-te de la carga, de esta forma el motor acelera hasta lacondicin permanente. El tiempo que demora este pro-ceso vara desde los milisegundos hasta los minutos,esto depende de la dinmica de la carga. Por ejemplo,hay mquinas centrfugas que tardan hasta 10-15 minu-tos en alcanzar la velocidad nominal. El proceso dearranque se acompaa de un consumo de corriente muyelevado, que es el mayor durante la operacin delmotor. Lo anterior se debe a que en el momento delarranque, el campo magntico rotatorio empieza a girar

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Por: Ing. Oscar Nez Matawww.motortico.com

onunezm@hotmail.com

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a la velocidad sincrnica, con el rotor an detenido, y esel momento de mayor tensin inducida en las barras delrotor. Adems, la resistencia elctrica de la carga pre-senta su valor ms bajo, prcticamente es un cortocircui-to, ya que el deslizamiento tiene un valor igual a 1. Conestas dos condiciones se produce la corriente elevada dearranque. La figura 1 muestra el comportamiento tpicode la corriente en un motor de induccin.

En la figura 1 se distinguen tres momentos desde el pro-ceso de arranque, hasta llegar al valor normal de funcio-namiento, estos son: El primero se nombra comoCorriente de Arranque (Inrush en ingls), que es lacorriente de arranque transitoria e instantnea, y fluyeal menos durante medio ciclo de la onda, y puede alcan-zar valores desde 10 hasta 20 veces la corriente asignadaIn del motor o en ingls FLA (FLA por las siglas de FullLoad Ampere). La segunda etapa se conoce comoCorriente de Rotor Bloqueado Ia (o LRA por las siglas eningls de Locked Rotor Ampere), que alcanza valores de6 a 10 veces la corriente asignada. Finalmente, laCorriente de servicio, que se define como la corriente deconsumo cuando el motor termin su arranque, y estavara segn el nivel de carga del motor. Se analiza a con-tinuacin la corriente de rotor bloqueado.

Corriente de Rotor BloqueadoLa corriente de arranque (Inrush) no est definida en lasnormas de fabricacin, depende del diseo de cadafabricante (Ver ms adelante). La que si aparece en lanormativa que gua la construccin de motores elctri-cos es la de Rotor Bloqueado.

En el caso de motores construidos bajo norma NEMA, elaspecto que aparece en la placa, y que define la corrien-te de rotor bloqueado, es la Letra de Cdigo (Code Letteren ingls), definida como la corriente consumida a plenatensin con el rotor trabado, sin posibilidad de giro. Esuna condicin estable, no transitoria. Segn el estndarNEMA MG1 con la letra de cdigo se puede calcular el

nivel de corriente de rotor bloqueado. La tabla siguientemuestra los valores.

Por ejemplo: Un motor de 100 hp, 460 V, 60 Hz, Letra deCdigo C, trifsico, TEFC, 1750rpm, FLA=138 A.

La corriente del rotor bloqueado ser:LRA =( hp*Mximo kVA/hp*1000 ) / ( V * 3 ) =(100 hp * 4 kVA/hp * 1000) / ( 460 V * 3 ) = 502 A.

Para este caso: 502/138 = 3,6 veces la corriente nominal.

En el caso de motores construidos bajo normas IEC, eldato se expresa directamente como Ia/In, esto es la rela-cin de la corriente de arranque a la nominal. Por ejem-plo, un motor IEC con indicacin Ia/In= 8, significa que lacorriente de rotor bloqueado es 8 veces la nominal.

Curva Par-VelocidadLa Curva Par - Velocidad presenta la caracterstica delpar desarrollado por el motor desde el arranque hasta lacondicin de operacin normal. En el arranque, elmotor desarrolla el par de arranque, luego presenta elpar mnimo, y al 80% de la velocidad nominal se tiene elpar mximo. El par se estabiliza segn lo solicita lacarga. Hay dos formas de analizar el comportamientodel motor de induccin, esta son: Dinmica y Esttica.La forma ms comn de presentar la curva par-veloci-dad es de forma esttica, donde se asumen algunas con-sideraciones para facilitar el anlisis. Pero el mtododinmico es ms fiel al comportamiento real. La figura 3muestra ambas curvas.

Figura 1. Comportamiento de la corriente de un motor de induccin.

A 0 - 3.15

B 3.15 - 3.55

C 3.55 - 4.0

D 4.0 - 4.5

E 4.5 - 5.0

F 5.0 - 5.6

G 5.6 - 6.3

H 6.3 - 7.1

I 7.1 - 8.0

J 8.0 - 9.0

K 9.0 - 10.0

L 10.0 - 11.2

Letra de Cdigo Rotor BloqueadokVA/hp

Tabla 1. Letra de Cdigo segn norma NEMA MG1

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La figura 2 muestra las curvas para un motor de 7,5kW. La curva dinmica es la que presenta oscilaciones(lnea continua); y la curva esttica es la tpica conoci-da en motores elctricos (Lnea discontinua), la cualutiliza la teora del circuito equivalente para encontrarla relacin entre el Par y la Velocidad en todo el rangode operacin.

En la figura se puede ver que en la regin del principio enla caracterstica dinmica se dan oscilaciones, algunas deellas negativas. Cerca del punto mximo, la caractersticaesttica toma un valor mayor, y la caracterstica dinmi-ca tiene valores ms bajos. El transitorio electromagnti-co tiene una influencia significativa sobre la caractersti-ca par - velocidad de la mquina de induccin. Por sim-plificacin, se asume en el anlisis transitorio la curvacaracterstica dinmica, y en el estado permanente seusa la curva caracterstica esttica.

Aplicacin de los conceptos: Corriente de Arranque enMotores de Eficiencia SuperiorLos fabricantes de motores se enfocan en la mejora de la efi-ciencia, esto se logra por medio de las siguientes acciones:

Ms seccin de cobre en el bobinado estatrico.

Ncleos magnticos ms grandes.

Lminas magntica ms delgadas y de mejor calidad.

Mejor diseo de las barras del rotor.

Reducir prdidas por ventilacin y friccin.

Mejora en el entrehierro.

Mejoras en el diseo del motor con miras a aumentar laeficiencia, ha provocado mayores corrientes de arranqueinstantneas, aunque las corrientes de rotor bloqueadoson similares a los diseos anteriores, lo que ha permiti-do mantenerse clasificados segn la normativa vigente.

Se pueden presentar disparos errneos en el interrup-tor automtico o en el fusible cuando se arranca unmotor de eficiencia superior (Alta Eficiencia o Premium)por efecto de la corriente de arranque elevada.

En la figura 3 se muestra en color rojo la corriente delmotor de eficiencia superior, desde el arranque hasta elvalor nominal. En azul se muestra la curva de disparoajustable del interruptor que protege al motor. En estecaso, es posible que se presenten disparos errneos siel ajuste del interruptor produce un cruce de ambascurvas. Incluso es posible que el disparo se presentecada cierto nmero de arranques, ya que dependerdel punto dnde se inicie la curva, el mayor peligro escoincidir con el cruce por cero de la corriente.

Como recomendacin final, se debe conocer la curva dedisparo del interruptor utilizado (Se obtiene con el fabri-cante), y seguir las recomendaciones establecidas por lasnormas para el dimensionamiento de las proteccin enmotores elctricos.

Figura 2. Comparacin de curva Par-Velocidad Dinmica y Esttica.

Figura 3. Corriente del motor y Curva del Interruptor.

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